特許 7504649 物品の製造方法、三次元造形装置、プログラム、記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-14

(45)【発行日】2024-06-24

(54)【発明の名称】物品の製造方法、三次元造形装置、プログラム、記録媒体

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20240617BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240617BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240617BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240617BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

B29C64/393

B29C64/153

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020072235

(22)【出願日】2020-04-14

(65)【公開番号】P2020189485

(43)【公開日】2020-11-26

【審査請求日】2023-04-12

(31)【優先権主張番号】P 2019093109

(32)【優先日】2019-05-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】紅谷 喜之

(72)【発明者】

【氏名】清原 孝太

(72)【発明者】

【氏名】村尾 仁

【審査官】今井 拓也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１６８１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０９３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８７５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１３８６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３４８４９２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、
前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、
を有する三次元造形装置を用いて物品を製造する方法において、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、
前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行し、
前記計測処理は、前記平坦化部材を前記造形台と接触させながら走査し、前記第１部分の変位を計測する処理である、
ことを特徴とする物品の製造方法。

【請求項2】

エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、
前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、
を有する三次元造形装置を用いて物品を製造する方法において、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、
前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行し、
前記第１部分は、弾性変形可能な弾性支持部材と、前記弾性支持部材が弾性変形した量を計測する計測部と、長さを調整可能な調整部とを有し、
前記弾性支持部材は、前記エレベータ架台と前記造形台の間に配置され、
前記計測処理は、前記弾性支持部材が弾性変形した量の計測を含み、
前記調整処理は、前記調整部による前記第１部分の長さの調整を含む、
ことを特徴とする物品の製造方法。

【請求項3】

前記計測処理において、前記平坦化部材の走査中に前記弾性支持部材が弾性変形した量の極大値を計測し、
前記調整処理において、計測された前記極大値に基づき前記第１部分の長さを調整する、
ことを特徴とする請求項２に記載の物品の製造方法。

【請求項4】

エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、
前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、
を有する三次元造形装置を用いて物品を製造する方法において、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、
前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行し、
前記計測処理は、前記平坦化部材を前記造形台と接触させながら走査し、前記平坦化部材の角度を計測する処理である、
ことを特徴とする物品の製造方法。

【請求項5】

前記第１部分は、長さを調整可能な調整部を有し、
前記平坦化部材は、角度を検知する角度検知部を有し、
前記計測処理は、前記平坦化部材の角度の計測を含み、
前記調整処理は、前記調整部による前記第１部分の長さの調整を含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の物品の製造方法。

【請求項6】

前記処理において、前記第２部分は、エネルギービームを照射して前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の物品の製造方法。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の物品の製造方法の各処理を、コンピュータに実行させるプログラム。

【請求項8】

請求項７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項9】

エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、
前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、
前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行可能であり、
前記計測処理は、前記平坦化部材を前記造形台と接触させながら走査し、前記第１部分の変位を計測する処理である、
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項10】

エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、
前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、
前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行可能であり、
前記第１部分は、弾性変形可能な弾性支持部材と、前記弾性支持部材の弾性変形した量を計測する計測部と、長さを調整可能な調整部と、を有し、
前記弾性支持部材は、前記エレベータ架台と前記造形台の間に配置され、
前記計測部は、前記計測処理で使用され、
前記調整部は、前記調整処理で使用される、
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項11】

前記計測処理において、前記平坦化部材の走査中に前記弾性支持部材が弾性変形した量の極大値を計測し、
前記調整処理において、計測された前記極大値に基づき前記第１部分の長さを調整する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形装置。

【請求項12】

エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、
前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、
前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行可能であり、
前記計測処理は、前記平坦化部材を前記造形台と接触させながら走査し、前記平坦化部材の角度を計測する処理である、
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項13】

前記第１部分は、長さを調整可能な調整部を有し、
前記平坦化部材は、角度を検知する角度検知部を有し、
前記計測処理は、前記平坦化部材の角度の計測を含み、
前記調整処理は、前記調整部による前記第１部分の長さの調整を含む、
ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形装置。

【請求項14】

前記第２部分は、エネルギービームを照射可能なエネルギービーム源を有する、
ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項15】

前記造形台は、前記第１部分に着脱可能である、
ことを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項16】

前記調整処理において、前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方が、前記造形台に対して平行度が高くなるように調製する、
ことを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項17】

粉末を供給する粉末供給部を更に備える、
ことを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項18】

前記制御部は、前記粉末層を前記造形台の上に敷設する前に、前記計測処理を実行する、
ことを特徴とする請求項９乃至１７のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項19】

三次元造形物の形状データを取得するデータ取得工程を実行する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の物品の製造方法。

【請求項20】

前記第１部分は、前記造形台を第１方向において支持し、
前記平坦化部材は、前記造形台の上を第２方向に走査し、
前記平坦化部材は、前記第２方向と交差する第３方向に延びる下端を備え、
前記傾きは、前記造形台と前記下端の前記第１方向および前記第３方向における傾きである、
ことを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の物品の製造方法。

【請求項21】

前記第１部分は、前記造形台を第１方向において支持し、
前記平坦化部材は、前記造形台の上を第２方向に走査し、
前記平坦化部材は、前記第２方向と交差する第３方向に延びる下端を備え、
前記傾きは、前記造形台と前記下端の前記第１方向および前記第３方向における傾きである、
ことを特徴とする請求項９、１０、１２のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、いわゆるパウダーベッド造形方法により物品を製造する製造方法、およびそれに用いる三次元造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法、光硬化性樹脂を用いた光造形法、粉末積層溶融法等のさまざまな方式が知られている。
粉末積層溶融法は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の粉末を層状に敷く工程と、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に溶融あるいは焼結させる工程を、繰り返し行なうことにより三次元造形物を形成する方法である。近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末積層溶融法が積極的に活用されはじめている。また、レーザ光により加熱する代わりに、粉末層の一部に選択的に硬化剤を吹付けて化学反応を誘起して硬化させ、三次元造形物を形成する方法もある。尚、粉末を層状に敷きながら三次元造形する装置や方法を、それぞれパウダーベッド造形装置、パウダーベッド造形方法と呼称する場合がある。

【0003】

特許文献１には、金属等の粉末を造形台の上に層状に敷いた後、レーザ光を照射して三次元造形物を製造する製造方法が提案されている。三次元造形物の一層に相当する厚さとなるように粉末を敷き、そのうち硬化させたい部位のみにレーザ光を照射して溶融凝固させた後、造形台を一層分下降させる動作を反復し、所定の三次元形状の造形物を得る方法が開示されている。さらに、特許文献１には、造形台の造形面にレーザ光を照射する複数の光源と、造形面から反射する光を検出する検出器と、造形台の高さを調製する調整器を備えた装置が開示されている。そして、検出器で検出されたレーザ光の照射位置から、造形台の造形面の高さに関する補正量を算出し、補正量に基づいて調整器を動作させて造形台の高さを調整することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－１５７４２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パウダーベッド造形装置を用いて連続して三次元造形物を量産する際には、三次元造形物を製造する度に、造形物を構築するための造形台を交換する。造形台には板状部材が多く用いられるため、造形台を造形プレートと呼ぶことも多いが、造形装置に着脱可能であれば必ずしも板状でなくともよい。造形台の上面は、原料粉末の層を敷く際の下地面となるため、高い平坦性を有するように作成されている。

【0006】

特許文献１の装置では、造形台の高さ、あるいはその上面の傾きを所定の設定にするため、造形台の上面を光学的に検知し、補正量を算出して調整器を動作させて造形台の姿勢を調整している。通常は、造形台の上面が水平になるように造形台の姿勢を調整する。
一般的にパウダーベッド造形装置では、造形台の上に一層分の粉末を敷く際に、粉末層の表面の平坦性を高めるために、造形台の上面よりも上方に配置された平坦化部材を造形台の上面に沿って走査して粉末層の上面を平坦化することが行われる。平坦化部材としては、例えばローラや、スキージあるいはブレード等と呼ばれる薄板状部材が用いられ、粉末層の表面は、平坦化部材の下面の走査軌跡に沿ってならされる。通常は、平坦化部材の走査機構の動作は、平坦化部材の下面の走査軌跡が水平面となるように初期設定される。

【0007】

しかしながら、特許文献１の装置では、平坦化部材と造形台の上面とは別々に水平になるよう調整されるので、平坦化部材下面の走査軌跡が造形台の表面を全面にわたって倣うように調整するのは困難である。平坦化部材の姿勢や走査軌跡と造形台の上面との間にわずかでも差がある場合には、造形台の上面とその上に敷かれた粉末層の上面とが平行でなくなってしまう。このため、造形台の上面に敷かれた例えば１層目の粉末層の厚みが、場所によって均一ではなくなってしまう。レーザ光を照射して三次元造形物の１層目を形成する際には、粉末層が所定の厚みで均一に形成されていることを前提に、レーザ光の照射エネルギーが設定されている。膜厚が所定の厚みよりも小さい場所では、粉末の量に対して照射エネルギーが過大になり、照射位置の周辺部まで溶融してしまい、造形物の形状に誤差が生じる可能性がある。また、膜厚が所定の厚みよりも大きい場所では、粉末の量に対して照射エネルギーが過小となり、溶融が不十分になり形状の誤差や硬化強度の不足が生じる可能性がある。とりわけ１層目は三次元造形物の基部であり、以後に行われる上層の造形を安定的に遂行するためには、高い形状精度で所定の強度により形成しておくことが重要である。

【0008】

そこで、平坦化部材の下面の走査軌跡が描く面と造形台の上面の平行度を高い精度で調整でき、均一な厚さの粉末層を造形台上に形成可能な三次元造形装置や三次元造形物の製造方法が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、を有する三次元造形装置を用いて物品を製造する方法において、前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行し、前記計測処理は、前記平坦化部材を前記造形台と接触させながら走査し、前記第１部分の変位を計測する処理である、ことを特徴とする物品の製造方法である。

【0010】

また、本発明の別の一態様は、エレベータ架台を備え、造形台を支持する第１部分と、前記造形台の上を走査して前記造形台の上に敷設された粉末層を平坦化する平坦化部材と、前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に加熱または硬化させる第２部分と、制御部と、を有し、前記制御部は、前記平坦化部材を走査した時の軌跡面および前記平坦化部材の少なくとも一方と、前記造形台との傾きを検知する計測処理と、前記計測処理による検知結果に基づき、前記造形台および前記平坦化部材の少なくとも一方の姿勢を調整する調整処理と、前記調整処理の後に、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて前記粉末層を平坦化する形成処理と、前記第２部分に前記粉末層を選択的に加熱または硬化させる処理と、を実行可能であり、前記計測処理は、前記平坦化部材を前記造形台と接触させながら走査し、前記第１部分の変位を計測する処理である、ことを特徴とする三次元造形装置である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、粉末層の上面を平坦化するための平坦化部材の下面の走査軌跡が描く面と、造形台の上面の平行度を自動的に調整でき、均一な厚さの粉末層を造形台上に形成可能な三次元造形装置や三次元造形物の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】（ａ）実施形態１に係る三次元造形装置の構成を示すための斜視図。（ｂ）実施形態１に係る造形プレートを支持する機構の拡大図。

【図2】実施形態１に係る三次元造形装置の制御ブロック図。

【図3】実施形態１に係る傾斜角の調整動作のフローチャート。

【図4】実施形態１に係る傾斜角の調整動作の一つの状態を例示する図。

【図5】（ａ）実施形態１に係る三次元造形の初期工程を示す図。（ｂ）粉敷き工程において造形プレートが下げられた状態を示す図。

【図6】（ａ）粉敷き工程において、一方の材料エレベータが上昇した状態を示す図。（ｂ）粉敷き工程において、ローラが移動中の状態を示す図。

【図7】（ａ）１層目の粉敷き工程が完了した状態を示す図。（ｂ）焼結工程において粉末材料にレーザ光を照射している状態を示す図。

【図8】三次元造形物が形成された状態を示す図。

【図9】（ａ）実施形態２に係る三次元造形装置の構成を示すための斜視図。（ｂ）実施形態２に係る造形プレートを支持する機構の拡大図。

【図10】実施形態２に係るローラユニットの斜視図。

【図11】実施形態２に係る傾斜角の調整動作のフローチャート。

【図12】実施形態２に係る傾斜角の調整動作の一つの状態を例示する図。

【図13】実施形態２に係る傾斜角の調整動作の別の状態を例示する図。

【図14】実施形態２に係る傾斜角の調整動作の更に別の状態を例示する図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図面を参照して、本発明の実施形態である三次元造形装置および三次元造形物の製造方法について説明する。尚、以下の実施形態の説明において参照する図面においては、特に但し書きがない限り、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して示すものとする。また、以下の説明において位置関係や方向について記載する場合は、特に但し書きがない限り、上とは重力方向における上側（川上側）を指し、下とは重力方向における下側（川下側）を指すものとする。

【0014】

［実施形態１］
［三次元造形装置の構成］
本実施形態では、三次元造形装置として、金属粉末の層を敷設してレーザ光のエネルギーにより焼結させる方式のパウダーベッド造形装置を例示して説明するが、本発明の適用はこの方式に限定されるものではない。

【0015】

図１（ａ）は、実施形態１の三次元造形装置の概略構成を示した模式的な斜視図である。パウダーベッド造形装置１は、床面と接する台座部分であるプラットフォーム部１０１を有し、プラットフォーム部１０１の上には、エレベータ架台１０２、材料エレベータ１２２、材料エレベータ１２３が設けられている。
エレベータ架台１０２の上表面１０３は水平に保たれ、不図示の駆動機構により鉛直方向に沿って上下動が可能である。尚、ここでいう水平や鉛直方向とは、微小な誤差さえ許されない程の厳密な意味ではない。

【0016】

図１（ｂ）は、上表面１０３の上に設けられた部材の配置を示す模式図である。上表面１０３の上には、鉛直方向に沿って伸縮可能で、鉛直方向の長さを調整可能な調整部である調整器１１１、１１２、１１３、１１４が設置されている。調整器１１１、１１２、１１３、１１４の各々の上には、弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０が配置されている。弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０は、造形台である造形プレート１０４を弾性支持する部材であり、弾性支承と呼ばれることもある。造形プレート１０４は、その下表面１０５が、弾性変形可能な弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０に着脱可能に固定（装着）される。

【0017】

本実施形態では、エレベータ架台１０２の上表面１０３の４箇所に、調整器と弾性支持部材を鉛直方向に沿って直列に配置している。これにより、造形プレート１０４は、その四隅が各々弾性支持され、四隅が独立して上下方向に高さ調整可能な構成となっている。尚、原理的にはエレベータ架台１０２の上表面１０３の３箇所に配置すれば、造形プレート１０４の姿勢を規定することが可能だが、姿勢の安定性と調整精度を鑑みれば、４箇所に配置するのが好ましい。造形プレート１０４をさらに安定して精度よく支持できるように、エレベータ架台１０２の上表面１０３の５箇所以上に調整器と弾性支持部材を直列に配置してもよい。

【0018】

弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０の各々は、受ける力に応じて弾性変形するが、弾性変形に伴う鉛直方向の長さの変化を計測する計測部として測長器を各々が備えている。弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０は、この順に、測長器１１５、１１６、１１７、１１８を備えている。

【0019】

図１（ａ）に戻り、パウダーベッド造形装置１は、造形プレート１０４の上に三次元造形物の原料となる粉末材料の層を敷設し、層の上面を平坦化するためのローラ１１９を備えている。ローラ１１９は、不図示の駆動機構により、水平方向に沿って造形プレート１０４の上を往復移動することが可能である。尚、ここでいう水平方向とは、微小な誤差さえ許されない程の厳密な意味ではない。造形プレート１０４の造形面の４つの角の重力方向における位置の差分が３０μｍ以内であれば、造形への影響は問題にならない。従って、本発明において、造形プレート１０４の造形面の４つの角が前述の範囲内に収まる程度の傾斜は水平方向に含まれる。
粉末供給部である材料エレベータ１２２および材料エレベータ１２３には、それぞれ三次元造形の原料となる粉末材料１２０、１２１が貯蔵されている。ローラ１１９が往復移動可能な範囲は、粉末材料１２０における造形プレート１０４から遠い側の端部１２４から、粉末材料１２１における造形プレート１０４から遠い側の端部１２５までの領域をカバーする。

【0020】

また、パウダーベッド造形装置１は、硬化部として、造形プレート１０４の上に形成された粉末材料を選択的に加熱して高温焼結させるレーザ発光装置１２６を備えている。エネルギービーム照射部としてのレーザ発光装置１２６は、レーザ光源や、レーザビームを走査するための走査光学系を備えている。本実施形態では、レーザ光源として波長１０７０ｎｍのファイバーレーザー（最大出力５００Ｗ）を使用したが、これに限らずともよく、他の波長や他の方式のレーザ光源でもよい。走査光学系は、レーザ光源から出たレーザビームを走査および集光するために、例えばガルバノスキャナや集光レンズを用いて構成することができる。

【0021】

図２に、パウダーベッド造形装置１の制御ブロック図を示す。制御部１５は、パウダーベッド造形装置１の動作を制御するためのコンピュータで、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。コンピュータ読み取り可能な記録媒体であるＲＯＭには、パウダーベッド造形装置１の動作プログラムが記録されている。Ｉ／Ｏポートは、外部機器やネットワークと接続され、たとえば三次元造形に必要なデータの入出力を、外部のコンピュータ２０との間で行うことができる。三次元造形に必要なデータとは、作成する三次元造形物の形状データや、作成に使用する材料の情報や、１層ごとの造形形状データ、すなわちスライスデータを含む。スライスデータは、造形物の形状データに基づいて制御部１５内のＣＰＵが作成してＲＡＭに記憶するが、外部のコンピュータ２０から受け取ってＲＡＭに記憶しても良い。
制御部１５は、エレベータ架台１０２、材料エレベータ１２２～１２３、ローラ１１９、レーザ発光装置１２６、測長器１１５～１１８、調整器１１１～１１４、等と信号線により接続され、各部の動作を制御して造形に係る処理を実行可能である。

【0022】

［三次元造形装置の動作］
次に、実施形態１としてのパウダーベッド造形装置１の動作を説明する。以下では、造形プレートの姿勢調整動作と三次元造形動作について、詳細に説明する。
［造形プレートの姿勢調整動作］
造形プレート１０４が弾性支持部材１０７～１１０に接続されて装着されると、パウダーベッド造形装置１は、粉末材料の層を敷設する前に、造形プレート１０４の上表面１０６がローラ１１９の下端の移動軌跡に対して傾斜していないかを計測する。すなわち、制御部は、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の傾きを検知（計測）する計測処理を実行する。計測の結果、ローラ１１９の下端の移動軌跡に対する傾斜が判明した場合には、両者が平行になるように造形プレート１０４の姿勢を調整する。すなわち、制御部は、計測処理による計測結果に基づき、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の平行度が高くなるように造形台の姿勢を調整する調整処理を実行する。
図３は、造形プレートの姿勢調整動作の動作手順を示すフローチャートである。

【0023】

ステップＳ１にて動作が開始されると、ステップＳ２にて制御部１５はエレベータ架台１０２の駆動機構を動作させ、１層目の粉末層を形成する時よりも造形プレート１０４を所定量上方に移動させる。本実施形態の場合には、所定量を例えば１０μｍとする。

【0024】

次に、ステップＳ３では、ローラ１１９を、図１（ａ）に示す造形プレート１０４の上表面１０６の左端１２７から右端１２８までの範囲を含むように走査させる。ローラ１１９の下端が、粉末層を形成する時と同じ軌跡を描くように、ローラ１１９の駆動部を制御して走査させる。走査の開始から終了に至るまで、制御部１５は、測長器１１５～１１８が計測した各弾性支持部材の鉛直方向の長さの変化をモニターする。

【0025】

次に、ステップＳ４では、制御部１５は、測長器１１５～１１８が計測した計測結果に基づき、ローラ１１９が造形プレート１０４の上表面１０６の全域と接触したか否かを確認する。ローラ１１９が走査した間に常に上表面１０６と接触していないと、ローラ１１９の下端の移動軌跡に対する上表面１０６の傾斜を精度よく測定できないからである。言い換えれば、走査期間中に弾性支持部材１０７～１１０の全てが弾性変形し、測長器１１５～１１８の全てが造形プレート１０４の下方への変位を検知したか否かを判定する。

【0026】

ローラ１１９と造形プレート１０４が接触すると、弾性支持部材１０７～１１０の一部または全部に鉛直下方の力がかかって弾性変形し、造形プレート１０４が下方に変位し、変位は測長器１１５～１１８により計測される。ただし、各弾性支持部材が弾性変形する量は、走査中のローラ１１９の位置に応じて変化する。例えば、弾性支持部材１０７の測長器１１５により計測される下方変位は、ローラ１１９が弾性支持部材１０７の直上の位置で上表面１０６と接触している時に極大値を示す。言い換えれば、上表面１０６の各地点は、その地点がローラ１１９と接している時に、走査期間中を通じて最も下まで変位することになる。そして、図１（ａ）の右方向への走査が進み、ローラ１１９が上表面１０６の右端１２８よりも右の位置まで移動すると、ローラ１１９が上表面１０６から離間したため、全ての弾性支持部材１０７～１１０はローラ１１９の押力から開放される。したがって、計測終了後は、弾性変形した弾性支持部材は次第に元の長さに復元し、造形プレート１０４はローラ１１９を走査する前の原位置に復元する挙動を示す。

【0027】

ここで、ローラ１１９の下端の軌跡に対する造形プレート１０４の上表面１０６の傾斜角によっては、ローラ１１９を走査しても上表面１０６の一部がローラ１１９と接触せず、上表面１０６の四隅のうち一部が下方に変位しないことも生じうる。この場合には、ステップＳ４における判定はＮＯとなり、ステップＳ２に戻り造形プレート１０４をさらに１０μｍ上昇させ、ステップＳ３、ステップＳ４を繰り返し実施する。

【0028】

このように、ステップＳ４においてＮＯ判定であったとしても、ステップＳ２～ステップＳ４のループを反復すると、走査する間にローラ１１９が造形プレート１０４の上表面１０６と常に接触する状態に至る。そして、全ての測長器１１５～１１８が下方変位を示すと、ステップＳ４における判定がＹＥＳとなり、ステップＳ５に移行する。

【0029】

ステップＳ５においては、調整器１１１～１１４を収縮させ、造形プレート１０４の上表面１０６がローラ１１９の下端の移動軌跡と平行になるように、造形プレート１０４の姿勢を調整する。調整器１１１～１１４の収縮量は、ステップＳ４においてＹＥＳ判定をした際における測長器１１５～１１８の計測値の極大値と同一とする。すなわち、ローラ１１９を走査する期間中に測長器１１５により計測された収縮量の極大値と同じ長さだけ、調整器１１１を収縮させる。同様に、調整器１１２は測長器１１６により計測された収縮量の極大値と同じ長さだけ、調整器１１３は測長器１１７により計測された収縮量の極大値と同じ長さだけ、調整器１１４は測長器１１８により計測された収縮量の極大値と同じ長さだけ、収縮させる。

【0030】

調整器１１１～１１４の動作が完了したら、ステップＳ６にて姿勢調整動作を終了する。弾性変形した弾性支持部材１０７～１１０が元の長さに復元し、弾性支持部材１０７～１１０の収縮量の極大値と同じ長さだけ調整器１１１～１１４が収縮したため、上表面１０６はローラ１１９の下端の移動軌跡と高い平行度を有するように調整された。

【0031】

以上のように、粉末材料の層を敷設する前に、造形プレート１０４の上表面１０６がローラ１１９の下端の移動軌跡に対して傾斜していないかを測定する際には、上表面１０６がローラ１１９の下端と接するように造形プレート１０４の高さを調整する。すなわち、ローラ１１９の下端と造形プレート１０４の上表面１０６が接触を維持した状態で、ローラ１１９が上表面１０６に沿って移動するようにする。上表面１０６のうちローラ１１９の下端が接している位置においては下向きの押力を受けるため、造形プレート１０４を支持する弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０は、ローラ１１９を移動させるとそれに応じて変形する。測長器１１５、１１６、１１７、１１８を用いて弾性支持部材１０７、１０８、１０９、１１０の長さの変化を計測することにより、造形プレート１０４の上表面１０６がローラ１１９の下端の移動軌跡に対して傾斜していないかを測定することができる。そして、測定結果に基づいて、調整器１１１、１１２、１１３、１１４の鉛直方向の長さを調整することにより、造形プレート１０４の上表面１０６とローラ１１９の下端の移動軌跡の傾きを抑制して両者の平行度を高めることができる。

【0032】

本実施形態では、弾性支持部材１０７～１１０の弾性定数ｋ［Ｎ／ｍｍ］を、次式の範囲で設定した。式中の各パラメータの意味は、後述する。

【数1】

【0033】

ただし、ａ［ｍｍ］、ｂ［ｍｍ］はそれぞれ、以下にて表わされる。

【数2】

【0034】

次に、ｋの範囲を求める手順を説明する。先ず、前記不等式の左半部で示された、ｋの下限値について示す。
積層造形時には、１層分の粉末材料が載荷されることにより、その質量により弾性支持部材１０７～１１０が下方に変位するのであるが、造形物の品質を維持するためには、下方変位を一定以下に抑制する必要がある。下方変位は、これをΔｂ［ｍｍ］として、次のように求められる。

【0035】

積層造形する１層の積層厚をΔｚ［ｍｍ］、造形プレートの上表面１０６の面積をＡ［ｍｍ^２］、材料密度をρ［ｇ／ｃｍ^３］とすると、１層の材料質量Δｍ［ｋｇ］は、次式のようになる。

【数3】

【0036】

重力加速度をｇ［ｍｍ／ｓ^２］とすると、力のつりあいより、次式が成り立つ。

【数4】

上式の右辺に４が乗算されているのは、４本の弾性支持部材で支持していることによる。

【0037】

そして上式をΔｂについて解いて、次式が得られる。

【数5】

【0038】

上式においてΔｂを、これの許容値を示すΔｂａに置き換え、さらにｋについて解くと次式が得られ、これによりｋの下限値が規定される。

【数6】

【0039】

次に、ｋの範囲のうち、上限値について説明する。
先に説明した図３のステップＳ３において、ローラ１１９と、造形プレート１０４の上表面１０６が接する際、弾性支持部材１０７～１１０の弾性定数が過大であると、ローラ１１９の曲げたわみが大きくなり、上表面１０６の傾斜角修正の精度が低下する。そのため、ローラ１１９の曲げたわみが許容量以下となる範囲に、ｋの上限値を定める必要がある。

【0040】

前述した図３のステップＳ２における、上表面１０６の上昇量をΔｈ［ｍｍ］とする。ここで、図４に示すように、ローラ１１９と上表面１０６が、上表面１０６の四隅のうち、弾性支持部材１０７に支持される隅にて接したとする。すると、弾性支持部材１０７は圧縮変形し、変形量に応じた弾性力が生じる。生じうる変形量の最大はΔｈなので、弾性力の最大値はｋΔｈ［Ｎ］となる。この弾性力の最大値をＰとすれば、P=kΔh である。このＰがローラ１１９に作用し、曲げたわみを生じさせる。

【0041】

次に、ローラ１１９の曲げたわみを求める。ローラ１１９として、直径Ｄ［ｍｍ］の中実丸軸を用いた場合、断面二次モーメントＩ［ｍｍ^４］は次式となる。

【数7】

【0042】

さらに、ローラ１１９に用いる材料の縦弾性係数をＥ［ＭＰａ］とすると、ローラ１１９の曲げ剛性ＥＩ［Ｎ・ｍｍ^２］は次式となる。

【数8】

【0043】

図４に示すように、ローラ１１９の長さはＬ［ｍｍ］で、その両端を剛支持されている。また、弾性支持部材１０７から受ける弾性力の作用点は、軸中心からＳ／２［ｍｍ］とする。この場合、材料力学の公式より、ローラ１１９に生じるたわみδ［ｍｍ］は次式となる。

【数9】

【0044】

ただし、ａ［ｍｍ］、ｂ［ｍｍ］は、それぞれ、以下にて表わされる。

【数10】

【0045】

上式においてδを、これの許容値を示すδａに置き換え、さらにｋについて解くと次式が得られ、これによりｋの上限値が規定される。

【数11】

【0046】

［三次元造形動作］
次に、造形プレート１０４の上に三次元造形物を形成する三次元造形動作について説明する。前述した造形プレートの姿勢調整動作が完了した後に、原料となる粉末を層状に敷設する工程と、敷設された粉末層に選択的にレーザ光を照射して焼結させて１層分の三次元造形物を形成する工程を繰り返すことにより、三次元造形物の形成が行われる。すなわち、制御部は、調整処理の後に、粉末供給部から粉末を供給し、平坦化部材に造形台の上を走査させて粉末層を敷設する粉末層形成処理と、硬化部に粉末層を選択的に硬化させる硬化処理とを実行する。以下では、前者を「粉敷き工程」、後者を「焼結工程」と称して説明する。

【0047】

先ず、１層目の粉敷き工程が行われる。
図５（ａ）は、前述した造形プレートの姿勢調整動作が終了し、粉敷き工程を開始する時点におけるパウダーベッド造形装置１の各要素の初期位置を示している。以下に示す手順により、造形プレート１０４の上表面１０６上に、粉末材料１２０を、所定量配置する動作が行われる。

【0048】

まず、図５（ｂ）に示すように、制御部１５はエレベータ架台１０２に制御信号を送り、上表面１０６が所定量４０１だけ下降するように造形プレート１０４を移動させる。尚、所定量４０１は、積層造形する１層の厚さに相当する距離である。

【0049】

次に、図６（ａ）に示すように、材料エレベータ１２２を所定量５０１上昇させ、粉末材料１２０のうち１層の粉末層を敷設するのに十分な所要量５０２を、ローラ１１９の下端１２９よりも鉛直上方に移動させる。

【0050】

次に、図６（ｂ）に示すように、ローラ１１９を造形プレート１０４の方向に移動させる。粉末材料１２０のうち、ローラ１１９の下端１２９よりも上方に位置する所要量５０２の部分が、ローラ１１９に押されて造形プレート１０４の上表面１０６に向かって移動する。

【0051】

図７（ａ）に示すように、図中右側に向けてのローラ１１９の移動（走査）は、ローラ１１９が材料エレベータ１２３側の粉末材料１２１の端部１２５に至るまで行われる。走査が完了すると、造形プレートの上表面１０６上に粉末層７０２が敷設される。粉末層７０２の表面７０１は、ローラ１１９の下端１２９により均されているため、平坦性が高い平面となる。

【0052】

既に述べたように、造形プレートの姿勢調整動作により、造形プレートの上表面１０６はローラ１１９の下端の移動軌跡と平行になるように調整されているため、粉末層７０２の表面７０１と造形プレートの上表面１０６は極めて高い平行度を有している。すなわち、粉末層７０２の膜厚は、造形プレートの上表面１０６の全域にわたり極めて均一性が高いと言える。
尚、ローラ１１９は、粉末材料１２０のうち１層分を供給するのに十分な所要量５０２を図中の右側に移動させたが、粉末層７０２として上表面１０６上に堆積されなかった余剰な粉末は、材料エレベータ１２３上に移動して粉末材料１２１と混合する。以上が１層目の粉敷き工程である。

【0053】

尚、以上の説明では、１層目の粉敷き工程は、材料エレベータ１２２側の粉末材料を用いて行ったが、本実施形態のパウダーベッド造形装置１は、粉末材料を貯蔵した材料エレベータを造形プレートの左右両側に配置している。従って、１層目の粉敷き工程は、上述した例のように材料エレベータ１２２側の粉末材料を用いて行ってもよいし、材料エレベータ１２３側の粉末材料を用いて行ってもよい。後者の場合には、ローラ１１９が図中の右側から左側に向けて移動（走査）して、粉末層を形成すればよい。

【0054】

１層目の粉敷き工程が終了したら、次に、１層目の粉末層に対する焼結工程が行われる。これは、敷設された粉末層７０２のうち、作製しようとする三次元造形物の１層目の形状に対応する領域にエネルギービームを照射して加熱し、粉末を焼結させる工程である。これは、作製しようとする三次元造形物の立体モデルの三次元形状データから生成したスライスデータに基づいて、エネルギービームを照射することによって行われる。
図７（ｂ）に示すように、レーザ発光装置１２６から、粉末層７０２の表面７０１のうち、三次元造形物を形成したい領域に対してレーザ光８０１を選択的に照射する。粉末層７０２のうちレーザ光８０１が照射された部位は高温に加熱されて焼結し、レーザ光８０１が照射されなかった部位は粉末状態のままとなる。以上により、三次元造形物の１層目が形成される。

【0055】

以後、作成しようとする三次元造形物の形状に応じて粉敷き工程と焼結工程を反復し、２層目より上の焼結部を順次形成して堆積してゆくことにより、図８に示すように、三次元造形物９０１を得ることができる。

【0056】

以上のように、粉末材料の１層目を敷設する際には、造形プレート１０４の上表面１０６の高さがローラ１１９の下端よりも低い位置になるように、造形プレート１０４の高さをエレベータ架台１０２により調整する。言い換えれば、ローラ１１９の下端は造形プレート１０４の上表面１０６よりも高い位置を維持しながら、上表面１０６と平行に移動する。これにより、ローラ１１９の下端と造形プレート１０４の上表面１０６の間隔に応じた厚さの粉末層が敷設される。

【0057】

また、２層目以降を敷設する際には、前回の走査により敷設した粉末層の上表面の高さがローラ１１９の下端よりも低い位置になるように、造形プレート１０４の高さをエレベータ架台１０２により調整する。言い換えれば、２層目以降の粉末材料層を敷設する際には、ローラ１１９の下端は前回敷設した粉末層の上表面よりも高い位置を維持しながら、造形プレート１０４の上表面１０６と平行に移動する。これにより、ローラ１１９の下端と前回敷設した粉末層の上表面の間隔に応じた厚さの粉末層が、前回敷設した粉末層の上に新たに敷設される。

【0058】

本実施形態によれば、粉末層は、造形プレートの上表面の全域にわたり極めて膜厚の均一性が高い状態で敷設されているため、どの部位をレーザ光で加熱しても、同質の焼結物を高い形状精度で作成することができる。三次元造形物の基部である１層目においても高い形状精度で所定の強度を有する焼結物を形成することができるため、以後に行われる上層部の造形を安定的に遂行することができる。
三次元造形物を量産する際には、生産する度に造形プレートを交換し、ローラを走査することになるが、本実施形態によれば、ローラの下端の走査軌跡が描く面と造形プレートの上面の平行度を自動的に調整できる。このため、造形プレートの個体差や、造形プレートの装着姿勢に差異があったとしても、高品質の三次元造形物を安定して量産することができる。また、三次元造形物を量産する間に、温度等の環境条件や装置コンディションの変化により、走査機構の動作が本来の初期設定からずれたとしても、安定して量産することができる。粉末層を形成するための走査中にローラが造形プレートの上面に接触し、装置が停止したり損傷したりすることもない。

【0059】

［実施形態２］
［三次元造形装置の構成］
実施形態２としての三次元造形装置として、金属粉末の層を敷設してレーザ光のエネルギーにより焼結させる方式のパウダーベッド造形装置を例示して説明するが、本発明の適用はこの方式に限定されるものではない。
実施形態１では、造形プレート１０４を支持する測長器１１５～１１８を用いて、ローラ１１９の下端の移動軌跡に対する造形面の傾きを検知（計測）した。これに対して、実施形態２ではローラを支持する機構に角度検知器を設け、角度検知器を用いてローラの下端の移動軌跡に対する造形面の傾きを検知（計測）する。

【0060】

図９（ａ）は、実施形態２の三次元造形装置の概略構成を示した模式的な斜視図である。パウダーベッド造形装置１００１は、床面と接する台座部分であるプラットフォーム部１００３を有し、プラットフォーム部１００３の上には、エレベータ架台１００４、材料エレベータ１０１５、材料エレベータ１０１６が設けられている。
エレベータ架台１００４の上表面１００５は水平に保たれ、不図示の駆動機構により鉛直方向に沿って上下動が可能である。尚、ここでいう水平や鉛直方向とは、微小な誤差さえ許されない程の厳密な意味ではない。
尚、以下の説明において方向を示す際、ＸＹＺ直交座標系１００２を用いる場合がある。説明の便宜上、Ｚ方向を鉛直方向とし、Ｘ方向およびＹ方向により水平面が規定されるものとする。パウダーベッド造形装置１００１は、横方向がＸ方向に沿い、前後方向がＹ方向に沿うように配置されているものとする。

【0061】

エレベータ架台１００４の上表面１００５には、調整器１００６、１００７、１００８、１００９が固定され、前記調整器上に、造形プレート１０１０が設置される。ここで造形プレート１０１０の下表面を１０１１、上表面を１０１２と称することとする。図９（ｂ）に、エレベータ架台１００４の上表面１００５と、調整器１００６、１００７、１００８、１００９の配置関係を示す。調整器１００６、１００７、１００８、１００９は、各々独立して、Ｚ方向に伸縮可能であり、前記伸縮動作により、造形プレート１０１０の上表面１０１２の傾斜角を調整することができる。
材料エレベータ１０１５、材料エレベータ１０１６の構成および動作は、実施形態１における材料エレベータ１２２、材料エレベータ１２３の構成および動作と同様である。材料エレベータ１０１５、材料エレベータ１０１６には、それぞれ三次元造形の原料となる粉末材料１０１３、１０１４が貯蔵されている。また、１０２４は、硬化部として、造形プレート１０１０の上に形成された粉末材料を選択的に加熱して高温焼結させるレーザ発光装置である。レーザ発光装置１０２４の構成および動作は、実施形態1におけるレーザ発光装置１２６の構成および動作と同様である。

【0062】

パウダーベッド造形装置１００１は、造形プレート１０１０の上に三次元造形物の原料となる粉末材料の層を敷設し、層の上面を平坦化するためのローラ１０２０を備えている。ローラ１０２０は、粉末材料の層を敷設する際には、図９（ａ）には図示されていない駆動機構により、Ｚ方向位置を一定に保持したまま水平方向（Ｘ方向）に沿って造形プレート１０１０の上を往復移動することが可能である。尚、ここでいう水平方向とは、微小な誤差さえ許されない程の厳密な意味ではない。

【0063】

図１０に示すように、ローラ１０２０は、ローラユニット１０１９に組み込まれている。ローラユニット１０１９は、ローラ１０２０の他に、搖動軸１０２１、角度測定器１０２２、荷重計１０２３を備えている。円柱あるいは円筒形状を有するローラ１０２０の回転軸は、円柱あるいは円筒の中心軸である。ローラユニット１０１９がＸ方向に沿って水平に移動しながら粉末材料の層を敷設する際には、ローラ１０２０の回転軸はＹ方向と略平行に保たれ、ローラ１０２０は回転軸周りに回転可能である。
搖動軸１０２１はＸ方向に沿って伸びる回転軸で、ローラ１０２０をＸ軸周りに回転可能（揺動可能）に支持している。後述するように、ローラ１０２０の下端の移動軌跡に対する造形面（造形プレート１０１０の上表面１０１２）の傾きを検知（計測）する際には、ローラ１０２０は搖動軸１０２１によりＸ軸周りに回転可能に支持される。一方、粉末材料の層を敷設する際には、例えば不図示のストッパにより、ローラ１０２０はＸ軸周りに回転できないように搖動軸１０２１に固定され、ローラ１０２０の回転軸はＹ方向と略平行に保たれる。

【0064】

角度検知部としての角度測定器１０２２は、ローラ１０２０の下端の移動軌跡に対する造形面（造形プレート１０１０の上表面１０１２）の傾きを検知（計測）する際に用いられ、Ｙ方向を基準としてローラ１０２０の回転軸がＸ軸周りに傾いている量を測定可能である。角度測定器１０２２として、例えばロータリーエンコーダを用いることができる。

【0065】

荷重計１０２３は、ローラ１０２０の下端の移動軌跡に対する造形面（造形プレート１０１０の上表面１０１２）の傾きを検知（計測）する際に用いられる。ローラ１０２０から造形プレート１０１０に荷重をかける際に、造形プレート１０１０からローラ１０２０に伝わる反力を計測することができる。荷重計１０２３として、例えば歪ゲージ式ロードセル、静電容量型ロードセル、などを用いることができる。

【0066】

［造形プレートの姿勢調整動作］
造形プレート１０１０がパウダーベッド造形装置１００１に装着されると、パウダーベッド造形装置１００１は、粉末材料の層を敷設する前に、造形プレート１０１０の上表面１０１２がローラ１０２０の下端の移動軌跡に対して傾斜していないかを計測する。すなわち、制御部は、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の傾きを検知（計測）する計測処理を実行する。
計測の結果、ローラ１０２０の下端の移動軌跡に対する傾斜が判明した場合には、パウダーベッド造形装置１００１は、両者が平行になるように造形プレート１０１０の姿勢を調整する。すなわち、制御部は、計測処理による計測結果に基づき、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の平行度が高くなるように調整器１００６～１００９を動作させて造形台の姿勢を調整する調整処理を実行する。

【0067】

図１１は、造形プレートの姿勢を調整する際の処理手順を説明するためのフローチャートである。また、図１２～図１４を参照するが、これらはパウダーベッド造形装置１００１をＸ方向に沿って見た側面図である。尚、図１２～図１４においては、説明の便宜のため図は模式的に表わされており、例えばローラ１０２０や造形プレート１０１０の上表面１０１２の角度は、ある程度誇張して示されている。

【0068】

図１１に示すステップＳ１００１で処理を開始すると、第２のステップＳ１００２で、エレベータ架台１００４の駆動機構を動作させることにより、造形プレート１０１０の上表面１０１２を、Ｚ方向に沿って上方に所定量移動させる。
次に、Ｓ１００３では、ローラユニット１０１９を、少なくとも上表面１０１２の一端部である１０２５から他端部１０２６までの範囲にわたり、Ｘ方向に沿って走査（移動）させる。その際には、ローラ１０２０は、Ｘ軸周りに回転可能（揺動可能）に搖動軸１０２１により支持されている。

【0069】

次に、ステップＳ１００４では、ステップＳ１００３の走査中における、ローラ１０２０のＸ軸周り揺動角が、許容値以内であるか判断を行う。
図１２は、造形プレート１０１０の上表面１０１２と、ローラ１０２０の最下線１０２７が、接触していない状態を表す図である。本図の状態では、ローラ１０２０の中心軸はＹ軸と平行に維持されており、Ｘ軸周りの搖動は生じないため、角度測定器１０２２で計測される揺動角はゼロ度である。
これに対し、図１３に示す例は、造形プレート１０１０の上表面１０１２が水平ではなく、ローラ１０２０の最下線１０２７が上表面１０１２に接触した状態を表している。図１３に示す状態においては、接触により、ローラ１０２０は搖動軸１０２１を中心にＸ軸周りに回転する。図１３の例では、角度測定器１０２２により計測される揺動角１０２８が、α１度であるとする。

【0070】

ステップＳ１００４では、粉末を敷く際における造形プレート１０１０の上表面１０１２とローラ１０２０の下端の移動軌跡が平行からずれる程度を制限するために、所定の許容値として適宜の値が定められている。言い換えれば、所定の許容値は、粉末材料の厚さの不均一を所定の範囲内に抑制するための閾値として設定されている。許容値は、造形プレート１０１０の造形面の４つの角の重力方向における位置の差分が３０μｍ以内となる角度に設定するとよい。例えば、造形プレート１０１０が２５０ｍｍ□のサイズの場合、許容値は０．００７［度］に設定するとよい。揺動角１０２８が所定の許容値以内であれば、粉末を敷く際におけるローラ１０２０の下端の移動軌跡であるＸＹ平面（水平面）に対して、造形プレート１０１０の上表面１０１２の傾きは許容範囲内にあると言える。逆に、揺動角１０２８が所定の許容値を超える場合には、粉末材料の厚さの不均一を所定の範囲内に抑制できないことになる。

【0071】

そこで、ステップＳ１００４において、揺動角１０２８が所定の許容値を超えると判断した場合（ステップＳ１００４：ＮＯ）には、ステップＳ１００７に移行する。ステップＳ１００７では、角度測定器１０２２により揺動角１０２８として計測されたα１度に応じて、造形プレート１０１０の上表面１０１２の向きを調整する。すなわち、制御部は、上表面１０１２が、粉末を敷く際におけるローラ１０２０の下端の移動軌跡であるＸＹ平面（水平面）に近づくように、調整器１００６、１００７、１００８、１００９を駆動する。例えば、揺動角１０２８として図１３に示したα１度が計測され、α１度＞許容値であった場合には、調整器１００６～１００９の各々を独立に制御して伸縮させ、図１４に示すように上表面１０１２を図中の反時計回りにα１度だけ回転させる。この動作により、ステップＳ１００４において計測された揺動角１０２８に相当する分だけ、造形プレート１０１０の上表面１０１２は、粉末を敷く際におけるローラ１０２０の下端の移動軌跡であるＸＹ平面（水平面）に近づく。

【0072】

ステップＳ１００７で造形プレート１０１０の上表面１０１２の傾斜角を調整したら、ステップＳ１００２に戻り上表面１０１２をＺ方向上方に移動させ、ステップＳ１００３以降を繰り返す。

【0073】

また、ステップＳ１００４において、揺動角１０２８が所定の許容値以内と判断した場合（ステップＳ１００４：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１００５に移行する。ステップＳ１００５においては、ステップＳ１００３における走査範囲の全域において、ローラユニット１０１９の荷重計１０２３による荷重の測定値が、所定の設定値を超えたか否かの判断を行う。ローラ１０２０が長手方向の全域で造形プレート１０１０の上表面１０１２に接しているか否かを判別するために、所定の設定値には適宜の値が設定される。言い換えれば、図１２あるいは図１３に示すような状態では、荷重計１０２３による荷重の測定値は、所定の設定値を超えないものとする。

【0074】

ステップＳ１００５において、荷重の測定値が設定値を超えていないと判断した場合（ステップＳ１００５：ＮＯ）には、造形プレート１０１０の上表面１０１２と、ローラ１０２０の最下線１０２７が、隙間なく接触しているわけではないことになる。すなわち、図１２あるいは図１３に示すような状態である。この場合には、ステップＳ１００４において揺動角１０２８が所定の許容値以内であったとしても、粉末を敷く際におけるローラ１０２０の下端の移動軌跡であるＸＹ平面（水平面）に対して、上表面１０１２の傾きが許容範囲内にあることは保証されない。
そこで、荷重の測定値が設定値を超えていないと判断した場合（ステップＳ１００５：ＮＯ）には、ステップＳ１００２に戻り、造形プレート１０１０をＺ方向上方に移動させてからステップＳ１００３、ステップＳ１００４を繰り返す。

【0075】

一方、ステップＳ１００５において、荷重の測定値が設定値を超えていると判断した場合（ステップＳ１００５：ＹＥＳ）には、造形プレートの姿勢調整動作を終了する。走査範囲の全域において、粉末を敷く際におけるローラ１０２０の下端の移動軌跡であるＸＹ平面（水平面）に対して、上表面１０１２の傾きが許容範囲内に収まったからである。

【0076】

以上の手順により、造形プレート１０１０の上表面１０１２の傾斜角を調整したら、回転軸がＹ方向と平行になるようにローラ１０２０の姿勢を戻し、不図示のストッパにより、ローラ１０２０がＸ軸周りに回転できないように搖動軸１０２１に固定する。そして、実施形態１と同様の三次元造形動作を行い、３次元造形物を製造する。

【0077】

本実施形においても、粉末層は、造形プレートの上表面の全域にわたり極めて膜厚の均一性が高い状態で敷設されているため、どの部位をレーザ光で加熱しても、同質の焼結物を高い形状精度で作成することができる。三次元造形物の基部である１層目においても高い形状精度で所定の強度を有する焼結物を形成することができるため、以後に行われる上層部の造形を安定的に遂行することができる。
三次元造形物を量産する際には、生産する度に造形プレートを交換し、ローラを走査することになるが、本実施形態によれば、ローラの下端の走査軌跡が描く面と造形プレートの上面の平行度を自動的に調整できる。このため、造形プレートの個体差や、造形プレートの装着姿勢に差異があったとしても、高品質の三次元造形物を安定して量産することができる。また、三次元造形物を量産する間に、温度等の環境条件や装置コンディションの変化により、走査機構の動作が本来の初期設定からずれたとしても、安定して量産することができる。粉末層を形成するための走査中にローラが造形プレートの上面に接触し、装置が停止したり損傷したりすることもない。

【0078】

［他の実施形態］
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、敷設した原料粉末層を加熱する光源として、上記実施形態ではレーザ光源を用いたが、照射エネルギー密度の制御や、照射光の走査ができるものであれば、用いる光は必ずしもレーザ光でなくてもよい。たとえば、高輝度ランプ、シャッタ、可変焦点レンズ、走査ミラー等の光学要素を組み合わせた照射光学系を光源として用いることも可能である。さらには、原料粉末層に選択的に照射可能でありさえすれば、光ビームでなくとも電子ビーム等でもよく、適宜のエネルギービームを用いることができる。

【0079】

また、エネルギービーム源を用いて粉末層を加熱して溶融／凝固や焼結を起こして硬化させるのではなく、粉末層の一部に選択的に硬化剤を吹付けて化学反応を誘起して硬化させ、三次元造形物を形成してもよい。
また、原料粉末は、金属粉に限らず、ＡＢＳやＰＥＥＫ等の樹脂粉末を用いても良い。
また、平坦化部材はローラには限られず、造形台の上を走査可能な部材であれば、スキージやブレード等の部材でもよい。

【0080】

また、平坦化部材の一回の走査によって、粉末層の敷設と表面の平坦化の両方を同時に達成しなくともよい。例えば、造形台の上方から粉末を散布して粉末層を敷設した後、平坦化部材を走査して粉末層の上面を平坦化してもよい。

【0081】

また、弾性支持部材の弾性変形に伴う鉛直方向の長さの変化の計測は、必ず弾性支持部材自身が備える測長器により行わなければならないわけではない。長さの変化を計測できるデバイスであれば、弾性支持部材自身に付帯させなくてもよい。また、弾性支持部材の長さの変化を計測しなくとも、弾性支持部材が支持している位置の造形プレートの変位を計測してもよい。
また、図１では、造形プレートは、エレベータ架台の上表面に調整機と弾性支持部材を介して着脱可能に支持されていたが、造形プレートの装着方法はこれに限らない。例えば、エレベータ架台の上表面に調整機と弾性支持部材を介して基台を設置し、基台の上に造形プレートを装着可能な構成としてもよい。この場合には、ローラの下端の走査軌跡が描く面と造形プレートの上面の平行度を調整する際には、調整機を動作させることにより基台の姿勢が変わり、装着された造形プレートの姿勢も基台と連動して調整されることになる。

【0082】

上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

【符号の説明】

【0083】

１・・・パウダーベッド造形装置／１５・・・制御部／１０２・・・エレベータ架台／１０４・・・造形プレート／１０７～１１０・・・弾性支持部材／１１１～１１４・・・調整器／１１５～１１８・・・測長器／１１９・・・ローラ／１２０、１２１・・・粉末材料／１２２、１２３・・・材料エレベータ／１２６・・・レーザ発光装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】